围绕爱因斯坦相对论时空观,存在100多年争论。
最新研究表明,产生争论的重要原因之一,就是针对相对论时空观的实验基础,爱因斯坦及其粉丝一直存在认识空白,这也是100多年来全世界众多物理学家共同的认识空白。
1爱因斯坦不知道,六人六钟六尺测得四个速度值是必知的实验
——计量学和物理学规定,必须使用时钟量尺测量速度值
在物理学中,时间这个名词术语、物理概念,对物质的可观测时间现象给出了定性描述。例如一个人从生到死,会经历一个一个具体状态,经历一定的变化过程,可以被眼睛观察到,可以被仪器测量到,这就是时间现象。
时间值是定量描述时间现象的物理量。为了对可观测时间现象给出定量描述,计量学约定了国际单位制的“秒”:铯133原子振动9192631770次所需的时间定义为1秒。在计量学中提供国际单位制“秒”的装置,是“第一时钟”。
可以说,在现实中使用的各种时钟,都是“第一时钟”的代表物。各种时钟显示的“1秒”时间值,都是“秒”的代表物。人们在实际情况中使用的时钟,都是遵守国际单位制秒定义的科学仪器、测量工具。
把具体的时间现象,跟一个时钟显示的时间值进行比较,就可以观测确定时间现象的时间值和时刻值,给出定量描述。使用时钟比较测量时间现象的时间值,在计量学中有具体要求。在一些具体的实验和实践中,还有更详细要求。
应该指出,时间和时间值有关系,但是不是一回事。在以往,使用时间这个名词术语既指时间现象,又指时间值,导致了一些混乱和矛盾。在今后,需要注意,必要时,应该给予区别。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者脱离实际的时钟,随意假设出的时间值,不能得到实际时钟和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制秒定义的时钟,类似科幻故事里的科幻时钟、魔术时钟,在实际中根本不存在。
——计量学规定,必须使用量尺测量长度值和空间值
在物理学中,长度和空间这两个名词术语、物理概念,对物质的可观测长度现象和可观测空间现象给出了定性描述。例如一个人,身高是长度现象,所在位置、外观体积和内部结构等是空间现象,都可以被眼睛观察到,都可以被仪器测量到。
长度值和空间值,是定量描述可观测长度现象和空间现象的物理量。为了对可观测的长度现象和空间现象给出定量描述,计量学约定了国际单位制的“米”,光在真空中1/299792458秒内所经过路程的长度定义为1米。在计量学中提供国际单位制“米”的装置,是“第一量尺”。
在现实中使用的各种量尺,都是“第一量尺”的代表物。各种量尺显示的“1米”长度值,都是“米”的代表物。人们在实际情况中使用的量尺,都是遵守国际单位制米定义的科学仪器、测量工具。
把具体的长度现象和空间现象,跟一个量尺显示的长度值进行比较,首先可以观测确定长度现象的长度值;其次通过观测和计算,还可以确定空间现象的空间值,例如对物体的相对位置、外观体积和内部结构等给出定量描述。使用量尺去测量长度现象的长度值和测量空间现象的空间值,在计量学中有具体要求。在一些具体的实验和实践中,还有更详细要求。
应该指出,长度和空间是物理概念,侧重于定性描述物理现象。长度值和空间值是物理量,侧重于定量描述物理现象。它们有关系,但是不能混为一谈。在以往缺乏明确区分,导致了一定的混乱和矛盾,在今后,需要注意,必要时,应该给予区别。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制米定义的量尺,类似科幻故事里的科幻量尺、魔术量尺,在实际中根本不存在。一些理论研究者脱离实际的量尺,随意假设出的长度值,不能得到实际量尺和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。
——计量学规定,必须使用时钟量尺测量速度值
在物理学中,速度这个名词术语、物理概念,定性地描述物体的运动快慢这种物理现象。平均速度值是一个物理量,定量地描述物体的运动快慢。
平均速度值的定义是v=△s/△t,物理意义如下:运动物体的平均速度值,是相对参照物,测速起点的观测者和测速终点的两个观测者,他们使用量尺联合测得物体的运动距离值△s,使用时钟联合测得物体的运动时间值△t,计算二者的比率v=△s/△t,得到的实验量值。对平均速度值求极限,就可以得到瞬时速度值这个物理量。
速度这个名词术语、物理概念,定性地描述物体的运动快慢;速度值这个物理量,定量地描述物体的运动快慢;所以,对二者应该加以区分,明确表述。在以往,速度这个名词术语,既被用来定性描述物理现象,又被用来代表具有一定量值的物理量速度值,因此导致了一定的混乱和矛盾。在今后应该引起注意,必要时应该给予区别。
在实际情况中,例如在科学实验和工程实践中,根据平均速度值定义,使用时钟量尺测量运动物体相对参照物的速度值,具体方法相当众多,基本原理和方法如下。
如图1,设在地面上有一个小汽车在匀速直线行驶。选定直角坐标系oxyz, 让小汽车沿x轴向正方向行驶。在直角坐标系x轴上分别选定测速起点x1和测速终点x2,让观测者甲一处在测速起点,让观测者甲二处在测速终点,让他们使用自己的时钟量尺测量小汽车的运动时间值和运动距离值。
设甲一使用自己的时钟测得小汽车途径测速起点x1的时刻值为t1,甲二使用自己的时钟测得小汽车途经测速终点x2的时刻值为t2,由此,他们可以计算获得小汽车的运动时间值为△t=t2-t1。甲一和甲二还可以使用他们的量尺测得小汽车在测速起点的坐标值x1和测速终点的坐标值x2的具体数值,由此,他们可以计算获得小汽车的运动距离值为△x=x2-x1。这样,甲一和甲二就可以计算获得小汽车的平均速度值为v=△x/△t=(x2-x1)/(t2-t1)。这是测量速度值的基本原理。按照上述测量速度值基本原理,可以在各种具体问题中,具体问题具体解决,测量获得速度值。
——谈论速度值,必须说清速度值六要素
应该强调,测量速度值,谈论速度值,都必须对速度值六要素给出详细说明:
1、运动物体是谁?
2、运动参照物是谁?
3、在运动参照物上如何选定测速起点和测速终点?
4、在测速起点和测速终点测量运动时刻值的时钟是否遵守计量学“秒定义”并同步运行?
5、在测速起点和测速终点之间测量运动距离值的量尺是否遵守计量学“米定义”?如需要使用多个量尺,它们是否为同长量尺?
6、使用时钟量尺测量运动时间值和距离值的具体方法是啥样的?如何计算平均速度值并确定测量误差?
无论是在实际中测量速度值,还是在理论上谈论速度值,都应该说清速度值六要素。否则,就可能产生有关的矛盾和争论。
——根据第一时钟和第一量尺,约定光速值C=299792458米/秒
根据国际单位制“米”约定,在提供国际单位制“米”的装置中,特定光在真空中1/299792458秒时间值里行进的路程,被约定为1米。这就相当于约定,在提供“米”的实验装置中,特定光相对装置本身,也就是相对静止在装置中的光源,特定光的平均速度值为v=Δs/Δt=1米/(1/299792458)秒=299792458米/秒。这个特定的光速值,可以写成C=299792458米/秒。这相当于在特定条件下,使用“第一时钟”和“第一量尺”,观测确定的特定光相对光源的光速值为C=299792458米/秒,这相当于实验结果。
在物理学的电磁学中,人们约定真空中的介电常数和磁导率时,也约定在特定的条件下,特定的电磁波,相对电磁波源的速度值为C=299792458米/秒。这就是人们可以从电磁学的麦克斯韦方程中推导出电磁波速度值是C=299792458米/秒的原因。这样约定的电磁波速度值,也相当于根据国际单位制,使用特定时钟和特定量尺测量确定了特定电磁波相对特定参照物的速度值,这也相当于实验结果。
应该指出,上述光速值和电磁波速度值C=299792458米/秒,都是特定条件下的约定,是基于国际单位制,针对特定光、特定电磁波、特定参照物、特定时钟、特定量尺、特定测量方法,所做的有限约定。不是针对所有单位制、所有光、所有电磁波、所有参照物、所有时钟、所有量尺、所有测量方法,所做的无限约定。所以,这样约定的两种速度值C=299792458米/秒,不具有无限推广的实验依据和理论依据。若无条件地推广到所有情况,就难以得到实际的时钟量尺测量实验的支持。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者脱离实际的时钟量尺,随意假设出的速度值和光速值,不能得到实际时钟量尺和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制秒定义的时钟和不遵守国际单位制米定义的量尺,类似科幻故事里的科幻时钟和量尺,类似魔术时钟和魔术量尺,在实际中根本不存在。
——相对匀速直线运动的甲系乙系,可以测得四个速度值
设在真空中惯性系条件下,如图2.1所示,有相对匀速直线运动的甲系乙系;设甲系乙系的x、X轴是相对匀速直线运动方向且两轴重合,y、Y轴平行,z、Z轴平行。
设甲系原点处甲一观测者的时钟,乙系原点处乙一观测者的时钟,两个时钟的时间值关系为t=T=0秒时刻,甲系乙系原点o、O重合;此刻,位于甲系原点的甲一,与位于乙系原点的乙一,他们在x、X轴上的坐标值恰好对齐;位于甲系x轴上的甲二,跟位于乙系X轴上的乙二,他们的坐标值恰好也对齐;此刻,甲三观测者处于任意位置,乙三观测者也处在任意位置。在上述情况下,可以设计和进行四个“测速实验”。
首先,在上述情况下,甲系可以把乙系乙一选定为运动者,把甲系甲一所在处选定为测速起点,把甲系甲二所在处选定为测速终点,让甲一甲二使用甲系的同步时钟和同长量尺,联合测量乙系乙一相对甲系的速度值。
在图2.1所示情况,甲系甲一使用自己的时钟量尺,可测得乙系乙一在测速起点的运动时刻值和x轴坐标值为(0、0)。
在图2.2所示情况,甲系甲二使用自己的时钟量尺,可测得乙系乙一在测速终点的运动时刻值和x轴坐标值为(t、x1)。
这样,甲系的甲一甲二就可以使用平均速度值公式计算出乙系乙一相对甲系的速度值u1=△x/△t=(x1-0)/(t-0)=x1/t。这也就是乙系相对甲系的速度值。
其次,在上述情况下,乙系可以把甲系甲二选定为运动者,把乙系乙二所在处选定为测速起点,把乙系乙一所在处选定为测速终点,让乙二乙一使用乙系的同步时钟和同长量尺,联合测量甲系甲二相对乙系的速度值。
在图2.1所示情况,乙系乙二使用自己的时钟量尺,可测得甲系甲二在测速起点的运动时刻值和X轴坐标值为(0、X1)。
在图2.2所示情况,乙系乙一使用自己的时钟量尺,可测得甲系甲二在测速终点的运动时刻值和X轴坐标值为(T、0)。
这样,乙系的乙二乙一就可以使用平均速度值公式计算出甲系甲二相对乙系的速度值u2=△X/△T=(0-X1)/(T-0)=-X1/T。负号表示u2的方向与X轴正方向相反,若只取量值,可写成u2=X1/T。这也就是甲系相对乙系的速度值。
另设甲系乙系原点o、O重合,甲系原点处时钟和乙系原点处时钟的时间值关系为t=T=O秒的时刻,甲系原点处点光源发出了一个球面光波。
设经过相对运动,甲系的同步时钟都显示t秒时刻值,乙系的同步时钟都显示T秒时刻值的时刻,球面光波膨胀运动,变成了半径一定的球面,图2.2简示了球面光波的局部情况。
在这里,使用物理学在理想条件下,建立理想化物理模型的方法,来研究问题。假设甲系甲一及其时钟量尺,甲系原点处点光源,甲系甲三及其时钟量尺,乙系乙一及其时钟量尺,乙系乙三及其时钟量尺等,都可以看成是没有形状和大小的质点。这样,就可以假设,在t=T=0秒时刻,甲系甲一及其时钟量尺、点光源,还有乙系乙一及其时钟量尺等,他们重合在同一点,也就是重合在甲系乙系的原点处。
另设在甲系的同步时钟都显示t秒时刻值,乙系的同步时钟都显示T秒时刻值的时刻,球面光波上的一个点光子,甲系甲三,乙系乙三,他们三者恰好重合在同一点,如图2.2所示。
首先,在上述情况下,甲系可以把球面光波上的任意光子,选定为运动者,把甲系甲一所在处选定为测速起点,把甲系甲三所在处选定为测速终点,甲一甲三可以使用甲系的同步时钟和同长量尺,联合测量上述点光子相对甲系的光速值。
在图2.1所示情况,甲系甲一使用自己的时钟量尺,可测得点光子在测速起点的运动时刻值和xyz轴坐标值为(0、0、0、0)。
在图2.2所示情况,甲系甲三使用自己的时钟量尺,可测得点光子在测速终点的运动时刻值和xyz轴坐标值为(t、x2、y、z)。
这样,甲系的甲一甲三可以计算获得球面光波上点光子到甲系原点的距离值为
甲一甲三可以使用平均速度值公式计算出上述点光子相对甲系的光速值为C1=△s/△t=r/t。
上面的光速值C1,是一般情况下,甲系观测者测得的球面光波上任意点光子相对甲系的光速值。在特殊情况下,对于球面光波上沿x、X轴正方向运动的光子,甲系观测者可以使用甲系的同步时钟和同长量尺,测得该光子相对甲系x轴的运动距离值△s=x2,运动时间值△t=t,光速值C=△s/△t=x2/t。这个特殊情况下的光速值C=x2/t,是一般情况下光速值C1=△s/△t的一个具体情况。
其次,在上述情况下,乙系可以把球面光波上的同一点光子,选定为运动者,把乙系乙一所在处选定为测速起点,把乙系乙三所在处选定为测速终点,乙一乙三可以使用乙系的同步时钟和同长量尺,联合测量同一点光子相对乙系的光速值。
在图2.1所示情况,乙系乙一使用自己的时钟量尺,可测得同一点光子在测速起点的运动时刻值和XYZ轴坐标值为(0、0、0、0)。
在图2.2所示情况,乙系乙三使用自己的时钟量尺,可测得点同一光子在测速终点的运动时刻值和XYZ轴坐标值为(T、X2、Y、Z)。
这样,乙系的乙一乙三可以计算获得球面光波上同一点光子到乙系原点的距离值为
乙一乙三可以使用平均速度值公式计算出同一点光子相对乙系的光速值为C2=△S/△T=R/T。
上面的光速值C2,是一般情况下,乙系观测者测得的球面光波上一个点光子相对乙系的光速值。在特殊情况下,对于球面光波上沿x、X轴正方向运动的光子,乙系观测者可以使用乙系的同步时钟和同长量尺,测得该光子相对乙系X轴的运动距离值△S=X2,运动时间值△T=T,光速值C=△S/△T=X2/T。这个特殊情况下的光速值C=X2/T,是一般情况下光速值C2=△S/△T的一个具体情况。
上面介绍的测速实验,甲系出动三个观测者,乙系也出动三个观测者,甲系乙系六人六钟六尺测量速度值,可以测得四个速度值u1、u2、C1和C2,这是根据计量学和物理学的测量速度值要求,进行测量速度值模拟实验,所得到的结果。是对科学实验和工程实践中测量速度值进行概括总结的结果。
上面介绍的测速实验和四个速度值u1、u2、C1和C2,它们是牛顿绝对时空观,爱因斯坦相对论时空观,还有其它时空观,例如交叉学科时空观,是各家时空观共同的实验基础。是各家时空观都能接受,也必须接受的公共认识。对于六人六钟六尺测得四个速度值这个重要的实验基础,爱因斯坦及其粉丝一直缺乏必要的认识,这是导致100多年相对论混战的关键原因之一。
2爱因斯坦不知道,同步时钟同长量尺是测量速度值的必要条件
在实际情况中,在一个特定参照系测量速度值,例如在科学实验和工程实践中测量速度值的时候,为了测得精确的平均速度值,要求测速起点处观测者的时钟和测速终点处观测者的时钟,必须是同步时钟。如果测速起点处观测者和测速终点处观测者分别持有量尺,则必须是同长量尺。
——关于同步时钟的定义
设在一个特定参照系有相对静止的甲时钟和乙时钟,它们显示的时间值分别使用小写字母t和大写字母T来表示。
如果两个时钟均按照国际单位制秒定义显示时间值,甲时钟显示的△t=1秒,乙时钟显示的△T=1秒,能做到同时开始、同时结束,也就是甲时钟显示△t=1秒的起点和终点之间的过程,跟乙时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的过程相等,这种“相等的时间值具有相等的时间过程”的两个时钟,就是同步时钟。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲时钟(△t=1秒)=乙时钟(△T=1秒)…………(1)
在上面的表达式中,把△t=1秒写在括号里,表示甲时钟△t=1秒的起点和终点的过程。把△T=1秒写在括号里,表示乙时钟△T=1秒的起点和终点的过程。(1)式表达了甲时钟△t=1秒的过程,跟乙时钟△T=1秒的过程相等。
如果甲时钟显示的△t=1秒,跟乙时钟显示的△T=1秒,可以同时开始,却不能同时结束,也就是甲时钟显示△t=1秒的起点和终点之间的过程,跟乙时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的过程不相等,这种“相等的时间值不具有相等的时间过程”的两个时钟,就是非同步时钟。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲时钟(△t=1秒)≠乙时钟(△T=1秒)…………(2)
上面(2)式表达甲时钟△t=1秒的过程,跟乙时钟△T=1秒的过程不相等。
关于同步时钟,在理论研究上,还可以这样描述:类似给播放视频的手机按下暂停键,就可以获得平面的手机暂停图像,在理论研究上,设甲时钟显示任意时刻值t时,给宇宙“按下暂停键”,由此,可以获得t时刻立体的宇宙暂停图像,可简称为t时刻状态图。
设在这个t时刻状态图中,甲时钟显示着t时刻值,乙时钟显示着T时刻值,且二者相等t=T。设甲时钟显示时刻值t+△t时,再次给宇宙“按下暂停键”,由此,可以获得t+△t时刻立体的宇宙暂停图像。设在这个t+△t时刻状态图中,甲时钟显示的t+△t时刻值,乙时钟显示的T+△T时刻值,二者仍然相等为t+△t=T+△T,△t=△T,在此情况中,甲时钟和乙时钟,就是同步时钟。
如果在t+△t时刻状态图中,甲时钟显示的t+△t时刻值,乙时钟显示的T+△T时刻值,它们不相等,t+△t≠T+△T,△t≠△T,在此情况中,甲时钟和乙时钟,就是不同步时钟。
在现代科技的计量学中,让同一参照系相对静止的多个时钟都按照国际单位制秒定义来显示时间值,让多个时钟都成为同步时钟,或非常接近同步时钟,有很多具体方法。所以,在实际情况中,在一定条件下,在特定参照系测量速度值的时候,可以认为测速起点处的时钟,跟测速终点处的时钟,就是同步时钟,这是理想化结果。
在特定参照系,对于同步的甲时钟和乙时钟,如果持甲时钟的甲观测者、持乙时钟的乙观测者,还有其它任意位置的观测者,他们依靠两个时钟发出的以有限速度值运动的光信号,分别使用眼睛观看,则在不同位置、不同情况,看到的结果是不一样的。在有些位置和情况,会看到甲时钟乙时钟是同步时钟。在有些位置和情况,会看到甲时钟乙时钟是非同步时钟。
——关于同长量尺的定义
设同一参照系有相对静止的甲量尺和乙量尺,它们显示的长度值分别使用小写字母s和大写字母S来表示。
如果甲量尺和乙量尺均按照国际单位制米定义显示长度值,而且把甲量尺和乙量尺平行放置时,甲量尺显示的△s=1米长度值,乙量尺显示的△S=1米长度值,它们的起点刻度能对齐,终点刻度也能对齐,也就是甲量尺显示的△s=1米起点和终点之间的距离,跟平行放置的乙量尺显示的△S=1米起点和终点之间的距离相等,这种“相等的长度值具有相等的空间距离”的两个量尺,就是同长量尺。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲量尺(△s=1米)=乙量尺(△S=1米)…………(3)
在上面的表达式中,把△s=1米写在括号里,表示甲量尺△s=1米的起点和终点的距离。把△S=1米写在括号里,表示乙量尺△S=1米的起点和终点的距离。(3)式表达了甲量尺△s=1米的距离,跟乙量尺△S=1米的距离相等。
如果甲量尺显示的△s=1米,跟平行放置的乙量尺显示的△S=1米,它们的起点刻度对齐时,终点刻度却不能对齐,甲量尺△s=1米起点和终点之间的距离,跟平行放置的乙量尺△S=1米起点和终点之间的距离不相等,这种“相等的长度值具有不相等的空间距离”的两个量尺,就是非同长量尺。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲量尺(△s=1米)≠乙量尺(△S=1米)…………(4)
上面(4)式表达甲量尺△s=1米的距离,跟乙量尺△S=1米的距离不相等。
关于同长量尺,在理论研究上,还可以这样描述:设甲时钟显示任意时刻值t时,给宇宙“按下暂停键”,设在t时刻状态图中,平行放置的甲量尺和乙量尺,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,它们完全等长。然后,设在t+△t时刻状态图中,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,依然相等。在上述情况中,甲量尺和乙量尺,就是同长量尺。
如果在t+△t时刻状态图中,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,已经相等。那么在上述情况中,甲量尺和乙量尺,就是不同长量尺。
在现代科技的计量学中,让同一参照系相对静止的多个量尺都按照国际单位制米定义来显示长度值,让多个量尺都成为同长量尺,或非常接近同长量尺,有很多具体方法。所以,在实际情况中,在一定条件下,在特定参照系测量速度值的时候,可以认为测速起点处的量尺,跟测速终点处的量尺,就是同长量尺,这是理想化结果。
在特定参照系,对于同长的甲量尺和乙量尺,如果持甲量尺的甲观测者、持乙量尺的乙观测者,还有其它任意位置的观测者,他们依靠两个量尺发出的以有限速度值运动的光信号,分别使用眼睛观看,则在不同位置、不同情况,看到的结果是不一样的。在有些位置和情况,会看到甲量尺乙量尺是同长量尺。在有些位置和情况,会看到甲量尺乙量尺是非同长量尺。
在测量速度值的时候,如果测速起点处和测速终点处的两个观测者,他们使用的时钟不是同步时钟,量尺不是同长量尺,那么,他们测得的速度值就不符合平均速度值定义,就会存在巨大误差,甚至存在错误,丧失科学价值。
以上所述,是同一个参照系的同步时钟和同长量尺的情况。在相对匀速直线运动的两个参照系,同步时钟和同长量尺的情况,与上述情况具有相似性。
应该强调,无论是同一参照系还是不同参照系,把不同时钟对准很重要,然而让不同时钟保持同步运行,一直是同步时钟更重要。同理,无论是同一参照系还是不同参照系,把不同量尺校准很重要,然而让不同量尺保持同长状态,一直是同长量尺更重要。上述问题,就是计量学和航空航天学的最重要问题之一。
3爱因斯坦不知道,在理论图像中假设测量速度值可能完全是虚构
——在实际中测量速度值,存在不可避免的“测不准”
在科学实验和工程实践中,按照计量学要求,可以使用实际的时钟量尺,进行具体测量,获得关于时间值、长度值和速度值的测量数据。然后,可以进行数据处理,确定测量误差,得到实验结论。这样获得的结果,大多是近似结果。
首先,在科学实验和工程实践中,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,时钟显示的时间值和量尺显示的长度值都可能发生波动和变化,这会对测量结果产生重要影响,因此会导致“测不准”。
在实际情况中,根据计量学要求和原理,所制造的时钟和量尺,都是开放复杂的巨系统、科学仪器。时钟显示的时间值,量尺显示的长度值,它们的工作稳定性,既跟时钟量尺的内部结构运动密切相关,也跟时钟量尺所受的外界作用和外部影响密切相关。
例如使用现代科技方法制造的时钟,是由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成的开放复杂的动力学系统,时钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。时钟的系统运动和所显示的时间值,跟系统内部的结构、运动和作用,跟系统所受的电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用,均有密切关系。使用现代科技方法制造的量尺,跟时钟的情况具有相似性,大同小异。所以,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,时钟显示的时间值和量尺显示的长度值都可能发生波动和变化,因此就会导致“测不准”。所以,必须先搞清时钟显示时间值规律和量尺显示长度值规律,及其对测量结果的影响。
其次,在实验、实践和工程上,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,因为测量技术和测量方法都存在局限性,因此,也会导致不可避免的“测不准”。
例如测量一个小汽车相对地面的速度值,需要在小汽车上选择确定运动点,代表小汽车的运动;需要在地面上选择确定测速起点和测速终点,作为测量依据。
那么,应该在小汽车上选择哪个点,来代表小汽车,来作为小汽车的运动点?在地面上应该如何选择两个点,作为测速起点和测速终点?
在原子层次说,小汽车的表面充满运动的原子,遍布运动轨迹“测不准”的电子云,在地面上的原子和电子也是如此。而希望中的小汽车代表点、运动点,地面上的测速起点和测速终点,却都是理想化的数学点,希望它们都是没有大小和形状,一直稳定不变的数学点,这种理想化的数学点,在实际情况中根本不存在、根本无法获得。
对于上述问题,计量学虽然有具体解决方案,但是,终究无法完全消除测量误差,无法彻底消除“测不准”。所以,在实际中使用时钟量尺测量获得的时间值、长度值和速度值,一定存在测量误差,一定是近似结果,只不过是近似程度不同而已。
——在理论图像中“测量”速度值,就是假设想象速度值
使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值,有两种具体情况值得认真研究。一是在实际情况中,在科学实验和工程实践中,使用实际的时钟量尺、真实具体地测量;二是在理论研究中,基于虚拟的时钟量尺、纸上谈兵地测量。下面对理论研究中,所谓的测量时间值、长度值和速度值,给予简介。
形象地比喻,实际的宇宙就像大象,科学家就像摸索大象和想象大象的盲人探索者。科学家对宇宙大象进行认识活动的方法,科学的认识方法,包括如下主要内容:确定认识对象,进行眼睛观察,进行仪器实验,产生头脑反映,给出语言描述,进行数学描述,建构假设模型,进行逻辑推理,建立科学理论,进行逻辑检验,进行实验检验,进行实践完善。
使用科学认识方法,科学家可以把宇宙大象某一方面和某一层次的内容反映进头脑里,在头脑里产生大象反映、大象图像。科学家可以使用语言文字、数学公式、图画图示、符号数据等形式,对其头脑里的大象反映、大象图像给出描述,构建关于宇宙大象的理论图像、科学理论。
一般情况下,科学家建立的科学理论、理论图像,包括如下内容:眼睛看到的现象,仪器实验的结果,头脑反映的内容,语言文字的描述,数学公式的内容,假设想象的模型,逻辑推理的结果,综合起来的图像。
对于科学家奉献的关于宇宙大象的理论图像、科学理论,大众学进自己头脑里,就可以在自己头脑里仿造科学家头脑里“原版的”大象图像、理论图像。
应该指出,实际的宇宙大象,科学家头脑里“原版的”大象图像、理论图像,大众头脑里“仿造的”大象图像、理论理解,三者有关系,但是却不是一回事。
一般情况下,根据科学理论与实际宇宙大象的相符程度、具体关系,可以把科学理论分为两种类型。
一是工程技术人员建立的科学理论,主要内容包括:眼睛看到的现象,仪器实验的结果,头脑反映的内容,语言文字的描述,数学公式的内容,逻辑推理的结果,综合起来的图像。这样的科学理论、理论图像,类似写真描述,大多都与实际的宇宙大象高度相符。
二是理论物理学家建立的科学理论,主要内容包括:基于眼睛观察的内容,根据物理实验的内容,在理想条件下,对研究内容进行简化,突出重点因素,省略次要因素,建立数学公式,建立假设模型,建立理论图像,建立科学理论。
如上所述的物理学理论、理论图像,有可能因为理想化而远离实际,简化掉了关键因素,制造了认识空白,其中的假设模型,还有可能虚构出了大象翅膀,掩盖了大象脑袋,导致了认识错误。
如上所述的物理学理论、理论图像,它们不是宇宙大象本身;不是关于宇宙大象的录像和拍照;不是全景写真,不是全息图像。不过是在头脑思维中,对宇宙大象进行假设想象,给出了理想化假设性的描述而已。它们的有些内容与实际的宇宙大象可能比较符合,有些内容跟实际的宇宙大象可能完全不符。
一般地说,科学理论、理论图像,是建立在基本概念、基本前提、逻辑推论、逻辑体系之上的大象图像、理论图像,所以,科学理论必须内部逻辑自洽、符合逻辑规律,这是对科学理论的第一个基本要求。其次,科学理论、理论图像,是实际宇宙大象的反映和描述,所以,科学理论必须最大限度地符合实际、符合实验事实,这是对科学理论的第二个基本要求。
因此,通过逻辑检验和实验检验,就可以对科学理论、理论图像的优劣真伪进行检验,做出判断。科学界,整体上如上所述,理论物理学也是这样子,没有例外和特殊。
在实际中测量时间值、长度值、速度值和光速值,总会存在“测不准”。但是,在有些物理学理论中,在有些物理课本中,经常可以看到测量时间值、长度值、速度值和光速值,得到了精确测量结果。
实际上,这样的精确测量结果,大多是在理论研究中,在头脑思维中,在理想条件下,在假设模型中,进行虚拟测量的结果,相当于假设想象出来的时间值、长度值、速度值和光速值。
例如在牛顿绝对时空观中,理论创建者谈论的使用时钟量尺测量时间值、长度值、速度值和光速值,得出伽利略变换等,就是在理论研究中,在头脑思维中,在没有外力作用的真空中、惯性系、质点和刚体等理想条件下,使用显示着绝对的、数学的时间值的理想时钟,使用显示着绝对的、数学的长度值的理想量尺,不考虑时钟量尺的内部结构、系统运动和外界作用等影响,对质点或刚体进行精准测量,在假设模型中,测到了精确的时间值、长度值、速度值和光速值等。
再例如在爱因斯坦狭义相对论时空观中,理论创建者谈论的使用时钟量尺测量时间值、长度值、速度值和光速值,得出洛伦兹变换等,也是在理论研究中,在头脑思维中,在没有外力作用的真空中、惯性系、质点和刚体等理想条件下,使用符合动钟变慢假设要求的理想时钟,使用符合动尺变短假设要求的理想量尺,不考虑时钟量尺的内部结构、系统运动和外界作用等影响,对质点或刚体进行精准测量,在假设模型中,测到了精确的时间值、长度值、速度值和光速值等。
如上所述,在理论研究中,在头脑思维中,在理想条件下,在假设模型中,进行假设想象的测量实验,获得的时间值、长度值、速度值和光速值等,可能相当精准,但不过是理论研究中、理论图像中的假设值,或者是约定值。在实际情况中,可能根本测不到、无法获得这种假设值。所以,需要使用逻辑和实验等方法,对它们进行严格检验,判断优劣真伪。
本文经常提到的“在理论研究上”,就是概指在头脑思维中,在理想条件下,在假设模型中,在理论图像中,讨论具体问题,得到假设认识,得到猜想结果。使用上述方法得到的假设结论,也需要使用逻辑和实验等方法,进行严格检验,判断优劣真伪。
4爱因斯坦不知道,速度值u来自两个独立速度值和u假设
牛顿绝对时空观伽利略变换共有九个物理量
T=t,X=x-ut,Y=y,Z=z…………(5)
t=T,x=X+uT,y=Y,z=Z…………(6)
它们被解释具有如下物理意义:其中的(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)八个物理量,被解释为相对匀速直线运动的甲系乙系分别使用自己的时钟量尺测到的,同一个物理事件的发生时刻值和坐标值;第九个物理量u,被解释为甲系乙系使用自己的时钟量尺测到的,对方相对自己系的运动速度值。伽利略变换和逆变换给出了(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)的变换关系。
可以说,牛顿绝对时空观创建者,他应该在头脑里进行六步思维,唯有如此,才能具有必要的实验依据,写出伽利略变换,进而创建牛顿绝对时空观。对于上述写出伽利略变换必须经历的六个头脑思维步骤,可简称伽利略变换六条,具体如下。
1、设甲系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用甲系的同步时钟和同长量尺,测得乙系相对甲系的速度值是u1=△x/△t。
2、设乙系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用乙系的同步时钟和同长量尺,测得甲系相对乙系的速度值为u2=△X/△T。
3、设甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,即有t=T,也可以表示为如下形式:
甲系时钟(△t=1秒)=乙系时钟(△T=1秒)
4、设甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,也可以表示为如下形式
甲系量尺(△s=1米)=乙系量尺(△S=1米)
5、提出两系互测等速假设u=u1=u2,可简称u假设。基于u假设,可以把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写为一个速度值u。
6、基于速度值u,可以写出伽利略变换和逆变换(5)(6)式。
在上面,通过第1、2、3、4、5条内容给出的两系互测等速假设u=u1=u2,即u假设,就是牛顿绝对时空观伽利略变换里速度值u的实验基础和物理意义。
在上面伽利略变换六条内容中,第1、2、3、4条内容,是第5、6条内容得以产生的必要条件。其中的第3、4条内容:甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,t=T,或者,甲系时钟(△t=1秒)=乙系时钟(△T=1秒);甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,甲系量尺(△s=1米)=乙系量尺(△S=1米);更是提出第5条内容u假设u=u1=u2,继续写出第6条内容伽利略变换,必不可少的时钟量尺条件。如果没有第3、4条内容,第5、6条内容就不能产生和存在。
应该强调:如果把第3、4条内容进行更改:把甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,t=T,或者,甲系时钟(△t=1秒)=乙系时钟(△T=1秒),更改为甲系时钟和乙系时钟遵守狭义相对论时空观动钟变慢关系,即甲系时钟和乙系时钟不再是同步时钟;把甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,甲系量尺(△s=1米)=乙系量尺(△S=1米),更改为甲系量尺和乙系量尺遵守狭义相对论时空观动尺变短关系,即甲系量尺和乙系量尺不再是同长量尺;那么,第5条内容两系互测等速假设u=u1=u2,也就是u假设就不能产生和成立了,第6条内容伽利略变换也就不能产生和成立了。
根据伽利略变换六条,对于两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,同步时钟和同长量尺条件,u假设u=u1=u2,速度值u,应该把它们捆绑在一起,进行理解和应用。
当然,在牛顿绝对时空观中,基于牛顿假设的绝对时间和绝对空间,在真空中惯性系等理想情况下:甲系时钟跟乙系时钟永远是同步时钟,永远有t=T;甲系量尺跟乙系量尺永远是同长量尺;所以,在此情况下,两系互测等速假设u=u1=u2,也就是u假设必然成立。因此,可以不去深究两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,同步时钟和同长量尺条件,u假设u=u1=u2等,就可以直接写出一个速度值u,并根据u写出伽利略变换。正是因为如此,爱因斯坦及其粉丝,还有众多物理学家都对伽利略变换六条缺乏必要的了解。
5爱因斯坦不知道,速度值C的实验基础是使用时钟量尺测光速
爱因斯坦狭义相对论时空观洛伦兹变换里共有十个物理量
它们被解释具有如下物理意义:其中的(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)八个物理量,被解释为相对匀速直线运动的甲系乙系分别使用自己的时钟量尺测到的,同一个物理事件的发生时刻值和坐标值;第九个物理量u,被解释为甲系乙系使用自己的时钟量尺测到的,对方相对自己系的运动速度值;第十个物理量C,被解释为甲系乙系使用自己的时钟量尺测到的,同一光相对自己系的光速值。洛伦兹变换和逆变换给出了(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)的变换关系。
可以说,在当年,爱因斯坦使用假设推理方法,创建洛伦兹变换的时候,爱因斯坦应该在头脑里进行十二步思维,唯有如此,才能具有必要的实验依据,写出洛伦兹变换,进而创建狭义相对论时空观。对于上述写出洛伦兹变换应该经历的十二个头脑思维步骤,可简称洛伦兹变换十二条,具体如下。
1、设甲系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用甲系的同步时钟和同长量尺,测得乙系相对甲系的速度值是u1=△x/△t。
2、设乙系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用乙系的同步时钟和同长量尺,测得甲系相对乙系的速度值为u2=△X/△T。
3、设甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,即有t=T,也可以表示为如下形式:
甲系时钟(△t=1秒)=乙系时钟(△T=1秒)
4、设甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,也可以表示为如下形式
甲系量尺(△s=1米)=乙系量尺(△S=1米)
5、提出两系互测等速假设u=u1=u2,可简称u假设。基于u假设,可以把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写为一个速度值u。
6、设甲系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用甲系的同步时钟和同长量尺,测得球面光波上任意点光子相对甲系的光速值C1=△s/△t,其中沿x轴正方向运动光子的光速值为C=△x/△t。
7、设乙系观测者按照计量学要求,在测速起点和测速终点,使用乙系的同步时钟和同长量尺,测得球面光波上同一点光子相对乙系的光速值C2=△S/△T,其中沿X轴正方向运动光子的光速值为C=△X/△T。
8、基于上述第6、7条,提出光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒,可简称两系测光等速假设或C假设。基于C假设,可以把两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T缩写为一个光速值C。
9、设甲系乙系原点处时钟时间值关系为t=T=0秒,两系原点重合时,甲系原点处点光源发出一个球面光波,据此,爱因斯坦给甲系观测者和乙系观测者分别写出了球面光波运动方程。然后根据两个球面光波数学方程,以及速度值u和C,爱因斯坦假设推理出了洛伦兹变换和逆变换两组假设(7)(8)式。
10、根据洛伦兹变换假设,爱因斯坦继续推理出了动钟变慢假设。设甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点处时钟显示时刻值t1=0;乙系原点处时钟显示时刻值T1=0,该时钟在甲系坐标值为x1=0;当甲时钟增加△t时间值,显示t2=t1+△t=△t时刻值时,乙系原点处时钟显示时间值T2=T1+△T=△T,该时钟在甲系的坐标值为x2=u△t,根据洛伦兹变换
根据洛伦兹逆变换,还有相对性的动钟变慢假设,如下
在甲系时钟的时间值,跟乙系时钟的时间值具有上述动钟变慢假设关系时,它们是非同步时钟。爱因斯坦基于洛伦兹变换假设推理出的动钟变慢假设,也就是非同步时钟关系,有如下两种
11、根据洛伦兹变换和逆变换,爱因斯坦继续假设推理出了相对性的动尺变短假设。在甲系量尺的长度值,跟乙系量尺的长度值具有上述动尺变短假设关系时,它们是非同长量尺。爱因斯坦基于洛伦兹变换假设推理出的动尺变短假设,也就是非同长量尺关系,有如下两种
12、根据洛伦兹变换,爱因斯坦还假设推理出了同时的相对性假设和速度值变换关系假设等(具体公式暂略)。这样,爱因斯坦就创建了狭义相对论时空观。使用狭义相对论时空观改造经典力学和电磁学,爱因斯坦就创建了狭义相对论。
在当年,爱因斯坦对于洛伦兹变换里的速度值u和C的实验基础和产生要求等,都缺乏必要了解。爱因斯坦不知道速度值u和C,都需要基于使用时钟量尺测量速度值的科学实验和科学实践,概括总结而来,而不能根据某种需求随意假设出来。来自使用时钟量尺测量速度值的科学实验和科学实践的u和C,可以得到实验和实践的支持,随意假设出来的u和C,却是难以得到实验和实践的支持。
6爱因斯坦不知道,洛伦兹变换里速度值u和C的成立条件相互矛盾
在当年,爱因斯坦使用假设推理方法创建洛伦兹变换和狭义相对论时空观的过程中,爱因斯坦无条件地继承了牛顿绝对时空观伽利略变换的速度值u。
然而,由于爱因斯坦对伽利略变换六条缺乏必要的了解,所以,爱因斯坦不知道,速度值u具有如下实验基础和物理意义。甲系乙系分别使用自己的时钟量尺测量对方的速度值,可以测得两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,提出u假设u=u1=u2,可以把两个速度值u1和u2缩写成一个速度值u,速度值u的成立条件是:t=T,即甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,如伽利略变换六条3、4条和洛伦兹变换十二条3、4条指出的那样。
所以,对于洛伦兹变换十二条的第1、2、3、4条内容,爱因斯坦没有给出必要说明,爱因斯坦无条件地继承了伽利略变换的速度值u,直接写出了速度值u,作为创建洛伦兹变换的重要基础之一。
但是,无论爱因斯坦是否知道,是否说明,都无法否认,伽利略变换和洛伦兹变换里的速度值u,它是需要实验基础、物理意义、诞生过程和成立条件的,它的成立条件是:t=T,即甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺。
爱因斯坦创建洛伦兹变换的时候:对于洛伦兹变换十二条的第6条内容,甲系观测者使用自己的时钟量尺测得光束相对甲系的光速值是C1=△s/△t;对于洛伦兹变换十二条的第7条内容,乙系观测者使用自己的时钟量尺测得光束相对乙系的光速值为C2=△S/△T;对于洛伦兹变换十二条的第8条内容光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒,也就是两系测光等速假设或C假设;倒是都给出了具体说明。
爱因斯坦基于C假设C=C1=C2=299792458米/秒,把两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T缩写成了一个光速值C。爱因斯坦提出的光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒,也就是两系测光等速假设或C假设,这就是狭义相对论时空观洛伦兹变换里C的来历和物理意义。
根据速度值u和C,爱因斯坦假设推理出第9条内容的洛伦兹变换,基于洛伦兹变换,爱因斯坦继续假设推理出了第10条内容的动钟变慢假设,第11条内容的动尺变短假设,第12条内容的同时的相对性假设和速度值变换关系假设等。这样,爱因斯坦就创建了洛伦兹变换和狭义相对论时空观,然后继续建立了狭义相对论。
在狭义相对论时空观中,爱因斯坦根据第9条内容洛伦兹变换假设,继续假设推理出的第10条内容动钟变慢假设(9)和第11条内容动尺变短假设(10)式,它们经常被当做第8条内容C假设和第9条内容洛伦兹变换得以成立的时钟量尺必备条件,为C假设和洛伦兹变换遭遇的困难和矛盾提供辩解说法。
因此,可以说,在狭义相对论时空观中,爱因斯坦实际上是把第洛伦兹变换十二条的第10、11条内容动钟变慢假设和动尺变短假设,当成了第8条内容C假设和第9条内容洛伦兹变换得以产生的时钟量尺必要条件。尽管在狭义相对论时空观中,第8、9条内容产生在前面,第10、11条内容产生在后面。
可以说,爱因斯坦狭义相对论时空观的基本逻辑是:因为有第10、11条内容的动钟变慢假设和动尺变短假设,所以有第8条内容C假设和第9条内容洛伦兹变换等。
因此,对于洛伦兹变换里的光速值C,C假设C=C1=C2=299792458米/秒,动钟变慢假设和动尺变短假设条件,两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T,应该把它们捆绑在一起,进行理解和应用。
由于爱因斯坦对伽利略变换六条缺乏必要的了解,爱因斯坦不知道伽利略变换和洛伦兹变换里的速度值u,它是需要实验基础、物理意义、诞生过程和成立条件的,它的成立条件是:t=T,即甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺;所以,爱因斯坦不知道,他根据洛伦兹变换假设推理出动钟变慢假设和动尺变短假设的时候,也就是他为C假设创造成立条件的时候,他已经消灭了速度值u,也就是u假设得以成立的同步时钟和同长量尺条件。因此,在洛伦兹变换里并肩而立的速度值u和C,它们的成立条件是相互矛盾的。
7爱因斯坦不知道,洛伦兹变换的u和C,不能共同成立
把伽利略变换和洛伦兹变换摆放在一起,进行比较研究,根据伽利略变换六条和洛伦兹变换十二条,显而易见,在洛伦兹变换里并肩而立的两个速度值u和C,它们各自成立的时钟量尺条件互不相容,分别要求同步时钟同长量尺,以及动钟变慢动尺变短,这是严重矛盾。
在洛伦兹变换里,如果想让第5条内容u假设u=u1=u2能够成立,如果想让速度值u能够发挥预期的作用,甲系乙系的时钟量尺就必须遵守第3、4条内容;甲系时钟跟乙系时钟就必须是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺就必须是同长量尺。
在洛伦兹变换里,为了保证第8条内容C假设C=C1=C2=299792458米/秒能够成立,为了让光速值C能够发挥预期的作用,甲系乙系的时钟量尺就必须遵守第10、11条内容,甲系时钟跟乙系时钟就必须遵守动钟变慢假设关系,甲系量尺跟乙系量尺就必须遵守动尺变短假设关系。
但是,第3、4条内容的要求,甲系时钟跟乙系时钟必须是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺必须是同长量尺;跟第10、11条内容的要求,甲系时钟跟乙系时钟必须遵守动钟变慢假设关系,甲系量尺跟乙系量尺必须遵守动尺变短假设关系,它们显然是相互矛盾的。把逻辑不自洽的第3、4、10、11条写在下面,进行比较,显而易见
3、甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟:甲时钟(△t=1秒)=乙时钟(△T=1秒)
4、甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺:甲量尺(△s=1米)=乙量尺(△S=1米)
10、甲系时钟乙系时钟遵守动钟变慢
11、甲系量尺乙系量尺遵守动尺变短
在理论研究上,在假设模型中,可以说,在狭义相对论时空观洛伦兹变换里,如果甲系只有一套时钟量尺,乙系也是只有一套时钟量尺,那么,甲系的唯一一套时钟量尺和乙系的唯一一套时钟量尺,它们就无法既满足第3、4条要求,又满足第10、11条要求。甲系时钟跟乙系时钟不能既是同步时钟,又遵守动钟变慢假设;甲系量尺跟乙系量尺不能既是同长量尺,又遵守动尺变短假设。所以,在此情况下,第5条内容u假设u=u1=u2和第8条内容C假设C=C1=C2=299792458米/秒,它们就不能共同成立。
在理论研究上,在假设模型中,可以说,仅当甲系拥有和使用两套时钟量尺,乙系也拥有和使用两套时钟量尺:甲系乙系的第一套时钟量尺符合第3、4条要求,甲系乙系的第一套时钟是同步时钟,甲系乙系的第一套量尺是同长量尺,甲系乙系的第一套时钟量尺被用来专门测量第5条内容u假设u=u1=u2;甲系乙系的第二套时钟量尺满足第10、11条要求,甲系乙系的第二套时钟遵守动钟变慢假设,甲系乙系的第二套量尺遵守动尺变短假设,甲系乙系的第二套时钟量尺被用来专门测量第8条内容C假设C=C1=C2=299792458米/秒;在此条件下,洛伦兹变换里的u和C才能共同成立。但是,让甲系乙系拥有和使用两套时钟量尺,这不符合实际情况。
在理论研究上,在假设模型中,可以说,爱因斯坦也可以对甲系的一套时钟量尺,对乙系的一套时钟量尺,赋予魔术功能,可以随时按需变脸。当甲系时钟量尺和乙系时钟量尺需要支持速度值u和u假设u=u1=u2成立时,甲系时钟和乙系时钟就立刻变成同步时钟,甲系量尺和乙系量尺就立刻变成同长量尺。当甲系时钟量尺和乙系时钟量尺需要支持速度值C和C假设C=C1=C2=299792458米/秒成立时,甲系时钟和乙系时钟就立刻变成非同步时钟,遵守动钟变慢假设,甲系量尺和乙系量尺就立刻变成非同长量尺,遵守动尺变短假设。当然,具有上述魔术功能,可以随时变脸的时钟量尺,同样不符合实际情况。
换个说法,把伽利略变换跟洛伦兹变换进行比较研究,在伽利略变换里,u假设u=u1=u2的成立条件之一是t=T,落实到甲系乙系的时钟,就是甲系时钟所显示的时间值,跟乙系时钟所显示的时间值一直相等,即甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟。u假设要成立,还需要另一个条件,那就是甲系跟乙系的坐标值变换关系决定的甲系量尺长度值跟乙系量尺长度值一直相等,即甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺。
在洛伦兹变换里,C假设C=C1=C2=299792458米/秒的成立条件是:甲系时钟时间值跟乙系时钟时间值关系应该遵守动钟变慢假设,甲系时钟跟乙系时钟应该是非同步时钟;甲系量尺长度值跟乙系量尺长度值关系应该遵守动尺变短假设,甲系量尺跟乙系量尺应该是非同长量尺。
在甲系时钟乙系时钟是非同步时钟,它们遵守动钟变慢假设,甲系量尺乙系量尺是非同长量尺,它们遵守动尺变慢假设的情况下,支持u假设成立的t=T条件,也就是甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟的条件不存在,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺的条件也不存在,因此,在洛伦兹变换里,u假设不能成立。
在洛伦兹变换里,如果给u假设提供成立条件,让甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,让甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺,那么u假设得以成立的时钟量尺条件,会让C假设C=C1=C2=299792458米/秒无法成立。因为C假设的成立条件是:甲系时钟跟乙系时钟必须遵守动钟变慢假设,它们必须是非同步时钟;甲系量尺跟乙系量尺必须遵守动尺变短假设,它们必须是非同长量尺。
总而言之,根据洛伦兹变换十二条,在爱因斯坦狭义相对论时空观中,由于洛伦兹变换里u和C的成立条件相互矛盾,存在逻辑不自洽,所以,速度值u和C不能共同成立,洛伦兹变换不能成立。就此,往上溯源,可以发现C假设C=C1=C2=299792458米/秒的成立存在严重困难;往下追踪,可以证明动钟变慢假设和动尺变短假设丧失了产生依据,动钟变慢假设和动尺变短假设根本不能用来反证C假设和洛伦兹变换的正确性。所以,对于爱因斯坦狭义相对论时空观,应该积极地填补认识空白,纠正认识失误,给予发展完善,推动科学进步。
8爱因斯坦不知道,动钟变慢假设和动尺变短假设不能反证前提正确
在以往,针对C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换遇到的困难和矛盾,爱因斯坦等人一直把动钟变慢假设和动尺变短假设当做最有力支持证据,进行辩解。但是,他们忽视了严重的逻辑矛盾。
首先,在狭义相对论时空观中,从逻辑关系上讲,速度值u和C,或者u假设u=u1=u2 和C假设C=C1=C2=299792458米/秒,是两个一级假设。根据这两个一级假设,爱因斯坦假设推理出了二级假设洛伦兹变换。然后,根据二级假设洛伦兹变换,爱因斯坦继续假设推理出了三级假设动钟变慢、动尺变短等。
可以说,使用动钟变慢假设和动尺变短假设这种三级假设反过来证明其前提C假设这个一级假设的正确性,反过来证明其前提洛伦兹变换这个二级假设的正确性,这就是使用“逻辑推理的结论”反证“逻辑推理的前提”的正确性,这是违反逻辑规律的无效论证。
其次,动钟变慢假设和动尺变短假设,它们导致u假设u=u1=u2的成立条件:t=T,也就是甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟这个条件,以及甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺这个条件,都无法共同存在;因此,动钟变慢假设和动尺变短假设导致洛伦兹变换里的u和C不能共同成立,这就导致洛伦兹变换不能成立;当洛伦兹变换不能成立时,作为洛伦兹变换的推理结论,动钟变慢假设和动尺变短假设已经丧失产生依据和存在依据;在此情况下,使用自身难保的动钟变慢假设和动尺变短假设去支持C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换的成立,这是违反逻辑规律,进行无效论证。
第三,有一些实验,例如飞机搭载原子钟绕地球赤道飞行实验等,一直被当做动钟变慢假设的支持证据。然而,在这些实验中,都是既存在“动钟变慢”现象,又存在“动钟变快”现象。仅仅片面地强调“动钟变慢”现象对动钟变慢假设提供了支持,无视“动钟变快”现象对动钟变慢假设制造了坚决否定,这是牵强附会、掩盖矛盾的非科学论证行为。
第四,动钟变慢假设和动尺变短假设,它们作为一种假设,在爱因斯坦狭义相对论时空观这个假设模型中、理论图像中,可以产生和存在。但是,作为假设模型中、理论图像中的爱因斯坦个人想法、假设想象,动钟变慢假设和动尺变短假设没有资格和能力,要求实际宇宙中的物理现象必须遵守动钟变慢假设和动尺变短假设,去运动和变化。
具体说,对于狭义相对论时空观的动钟变慢假设,每个读者都可以进行切身体验和实践检验。现在,读者手握手机,手机里有时钟,也就相当于手握时钟。读者手握时钟,坐在家里。在读者四周,从近到远,有各种各样的运动物体,从缓慢爬行的蜗牛,到高速行驶的汽车,从天上飞行的卫星,再到宇宙空间中的近光速宇宙线,它们以不同速度值和不同运动方向,相对读者的时钟在运动。在各种运动物体上,都可以使用动钟变慢假设数学公式,给读者的时钟计算动钟变慢效应,可以算计出成千上万种动钟变慢结果。
那么,读者手握的时钟,对于成千上万种动钟变慢计算结果,该如何执行呢?都必须执行吗?是分别执行?还是累加执行?可否拒绝执行?如果读者的时钟拒绝了其它参照系的动钟变慢假设计算结果,那么,读者给其它参照系计算的动钟变慢假设结果是否也可以被拒绝呢?
实际上,读者手握的时钟,手握的手机,它是一种科学技术产品,它有自己的运行规律,跟内部结构运动和所受外界作用密切相关,其它事物相对手机运动时,如果这样的相对运动没有导致手机的内部结构运动和所受外界作用发生变化,那么,使用狭义相对论时空观动钟变慢假设数学公式进行计算获得的结论,就是一种“别人的想法”,它没有能力导致手机发生动钟变慢。否则,狭义相对论时空观的动钟变慢假设岂不是类似于“心灵感应”和“特异功能”,脑袋里产生假设想象,就能去改变时钟运动,导致时钟变慢,这不就是产生魔术功效和非科学现象吗?
综上所述,可以说,使用动钟变慢假设和动尺变短假设去支持C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换假设的成立,这是违反逻辑规则的循环论证和错误论证,缺乏科学价值。
9爱因斯坦不知道,在光束参照系研究甲系乙系运动,逻辑困难巨大
参照爱因斯坦曾经谈论过的“与光同行理想实验”及其思路,在科学模型中,在理论研究中,设相对匀速直线运动的甲系乙系研究沿x、X轴正方向运动光束的光速值时,可以在光束上建立参照系,简称为光束参照系。然后,就可以立足光束参照系,研究光束参照系、甲系和乙系,三者的相对运动。参见图3。
在图3所示的情况中,爱因斯坦C假设,也就是光速不变假设要求,沿x、X轴正方向运动的光束,相对甲系乙系向右的光速值均为C=299792458米/秒。
根据爱因斯坦的狭义相对性原理假设,在光束参照系可以进行如下逻辑推理:
首先,因为光束相对甲系向右的光速值为C=299792458米/秒,所以,甲系相对光束参照系向左的速度值应为C=299792458米/秒;
其次,因为光束相对乙系向右的光速值为C=299792458米/秒,所以,乙系相对光束参照系向左的速度值应该是C=299792458米/秒;
第三,因为甲系相对光束参照系向左的速度值是C=299792458米/秒,乙系相对光束参照系向左的速度值也是C=299792458米/秒,所以,相对光束参照系向左均以C=299792458米/秒运动的甲系、乙系,它们相对运动速度值就是u=0。但是,u=0,这显然与初始条件,甲系乙系的相对速度值u必须是特定值,不能是u=0这个初始条件相互矛盾,与洛伦兹变换的物理意义相互矛盾。
10爱因斯坦不知道,质速关系解释的物理现象可以另有解释
对于以往所谓的支持爱因斯坦相对论时空观的实验证据,有必要重新审视,进行严格比较研究。
例如狭义相对论的质速关系假设:伴随带电粒子的运动速度值不断增加,带电粒子的质量值会按照洛伦兹因子不断增加,这个质速关系假设曾经被用来解释加速器实验等实验现象。
与此有关,如果假设伴随带电粒子的运动速度值不断增加,带电粒子的质量值一直不变,带电粒子受到的库仑力作用却按照洛伦兹因子倒数不断减小
使用这样的假设解释加速器实验等,也可以给出合理解释。而且,这可以成为电磁学创新发展的理论探索方向和实验研究内容。
11综合结论:从伽利略牛顿再到麦克斯韦爱因斯坦,都有认识空白
概括地说,面对速度值u和C的实验基础,在狭义相对论时空观的产生源头,跟爱因斯坦并肩而立,围绕洛伦兹变换里的速度值u和C进行广泛深入的交叉学科研究,就能获得如下创新认识:
1、在实际情况中,按照计量学要求,相对匀速直线运动的甲系乙系应该至少出动六人六钟六尺,每个参照系应该至少出动三人三钟三尺,观测者需要处在测速起点和测速终点,使用现代科技制造的同步时钟和同长量尺,测量时间值、长度值、速度值和光速值。在此情况下,甲系可以测得两个速度值u1=△x/△t和C1=△x/△t,乙系可以测得两个速度值u2=△X/△T和C2=△X/△T。
2、根据甲系乙系测量获得的四个速度值u1、C1、u2和C2,伽利略变换创建者相当于提出两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2,把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写成了一个速度值u;爱因斯坦提出光速不变假设,也就是两系测光等速假设,也就是C假设C=C1=C2=299792458米/秒之后,就把两个光速值C1=△x/△t和C2=△X/△T缩写成了一个光速值C。
3、应该在两种条件下:一是甲系时钟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺乙系量尺是同长量尺;二是甲系时钟乙系时钟是非同步时钟,例如遵守动钟变慢假设关系,甲系量尺乙系量尺是非同长量尺,例如遵守动尺变短假设关系;应该在上述两种时钟量尺条件下,研究u假设u=u1=u2得以成立的时钟量尺条件,研究C假设C=C1=C2=299792458米/秒得以成立的时钟量尺条件。
4、根据上述研究,就可以写出伽利略变换诞生过程的6条内容,其中包括u假设的成立条件:甲系时钟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺乙系量尺是同长量尺。根据上述研究,还可以写出洛伦兹变换变换诞生过程的12条内容,其中包括u假设的成立条件为:甲系时钟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺乙系量尺是同长量尺;C假设的成立条件为:甲系时钟乙系时钟必须遵守动钟变慢假设,是非同步时钟,甲系量尺乙系量尺必须遵守动尺变短假设,是非同长量尺。
5、根据伽利略变换6条和洛伦兹变换12条,就可以看清,爱因斯坦在头脑思维中,使用假设想象的时钟量尺,进行假设想象的测量,假设想象出的速度值u和C、洛伦兹变换和狭义相对论时空观等,没有遵守计量学的基本要求,远离了必须熟知和依托的测量实验,缺少了应知必知的关键内容,违反了必须遵守的逻辑规律;在洛伦兹变换里,u假设和C假设的成立条件存在逻辑不自洽,速度值u和C不能共同成立,洛伦兹变换和狭义相对论时空观违反逻辑规律,不能成立。
6、人们在源头上搞懂伽利略变换6条和洛伦兹变换12条,就可以看清,爱因斯坦假设想象出的速度值u和C、洛伦兹变换和狭义相对论时空观等,它们不能在实际情况中成立,只能在爱因斯坦的头脑思维和相对论的理论图像中可以成立。爱因斯坦和相对论专家一直使用假设想象代替钟尺测量,使用数学公式代替逻辑检验,进行循环论证维护假设结论,强拉硬扯实验当做支持证据。这就是围绕狭义相对论时空观产生100多年矛盾和争论的主要原因之一。找到上述关键原因,就可以快速解决100多年的矛盾和争论了。
实际上,关于相对匀速直线运动的甲系乙系研究两系互测速度值和两系测量同一光束的光速值,谈论u和C等,从伽利略到牛顿,再到麦克斯韦和爱因斯坦,他们都有认识空白,对于伽利略变换6条和洛伦兹变换12条等应知必知的内容,他们都缺乏必要了解。
中国交叉学科时空观给爱因斯坦时空观和牛顿的时空观替补了认识空白,对它们进行了发展完善,具有重要意义,值得高度重视。中国交叉学科时空观与中科院“拉索”重大发现具有遥相呼应,相互支持的关系。
2023年11月15日,中国科学院高能物理研究所网站发布文章,并通过媒体介绍了“拉索”的重大成果:“被认为是爱因斯坦狭义相对论基础的洛伦兹对称性有可能就要被破坏”“光速就不再是个常数了”“对传统的相对论理论造成破坏”“爱因斯坦的相对论在低能物理情况下是正确的,然而在高能物理情况下它可能就不太适用了”“开启了新物理探索之门”。
在今天,在大学和中学物理课本中,针对牛顿时空观伽利略变换及其速度值u,应该增加伽利略变换6条,针对爱因斯坦时空观洛伦兹变换及其速度值u和C,应该增加洛伦兹变换12条,应该立刻行动,填补认识空白,纠正认识错误,积极发展完善。
12参考文献
[1]黄福芸等.计量知识手册[M].北京:中国林业出版社,1987
[2]齐新.交叉学科时空观指出更多真相,推动爱因斯坦和牛顿的时空观发展完善[EB/OL].(2023-04-28)[2024-02-20].https://coaa.istic.ac.cn/preprint/3608099.
13作者致谢
在本文撰写过程中,曾得到全国政协原副主席、国家科委原主任宋健院士的大力支持和指导,曾得到清华大学天文系原系主任和教授、中国科学院高能物理研究所研究员李惕碚院士的大力支持和指导,得到研发团队成员一如既往地鼎力支持,得到众多好友和有关人士的热情支持和推动,在此表示衷心感谢。
14作者简介
齐新,交叉学科时空观创建者,交叉学科统一论创建项目牵头人,强脑方法和产品研发者,头脑简图发明人和专利权人,强脑创新方法和提高六大脑力方法发明人,抑郁症和极端行为预防方法研发者。《智胜爱因斯坦》和《管理大脑思想》图书作者。1964年2月出生于内蒙古赤峰市;1986年毕业于内蒙古师范大学物理系,此后在赤峰学院物理系任教多年;2002年至2014年先后在北方经济报社和内蒙古日报社工作;2011年11月成立新动力文化,并任负责人至今。
立足现代科学和中华优秀传统文化等,对物质、时间、空间、生命、大脑和思想等问题进行了长期的交叉学科研究。2009年,得到全国政协副主席、国家科委原主任宋健院士推荐,在《前沿科学》第2期发表科学论文“狭义相对论被争论100多年的主要原因”。1998年,得到中国科协副主席、航天工业总公司总工程师庄逢甘院士推荐,在《宇航学报》第2期发表科学论文“论GPS与相对论时空观”。2006年6月,在内蒙古教育出版社出版《智胜爱因斯坦》创新方法图书。2017年7月,在光明日报出版社出版《管理大脑思想》科学用脑图书。2023年4月,在国家预印本平台发布文章《创建交叉学科时空观,速解爱因斯坦未解之谜和牛顿未解之谜》,此后陆续发布有关科学论文十余万字,全面地介绍了交叉学科时空观。曾经发布大量网络科普文章,介绍交叉学科时空观和强脑方法等。